Las baterías de los coches eléctricos son el componente clave para conseguir que éstos sean más atractivos e interesantes, y puedan, por tanto, llegar a popularizarse: de ellas dependen la autonomía, precio, velocidad de recarga y vida útil del vehículo, aspectos fundamentales que frenan todavía a muchos usuarios.
Desde los primeros automóviles eléctricos, en algo más de 100 años hemos visto una evolución de las baterías notable: desde las vetustas de plomo-ácido o níquel-hierro, hasta las actuales de iones de litio, se ha conseguido aumentar más de 12 veces la autonomía de un coche eléctrico.
Gracias al importante salto tecnológico que han dado las baterías en los últimos años, cada vez más fabricantes de automóviles se han animado a desarrollar nuevos modelos de coches eléctricos, con promesas bastante atractivas para los próximos 4 años, con autonomías homologadas NEDC que se moverán entre los 400 y los 600 km.
El futuro presente: níquel y cobalto
Chevrolet Bolt EV (en Europa Opel Ampera-e, con muy ligeros cambios estéticos), monta lo último en baterías de LG Chem: mide 4,17 m de largo pero su batería tiene una capacidad más que destacada de 60 kWh (para conseguir una autonomía homologada NEDC de 520 km)
Por ser la química de celdas de batería con mayor densidad energética, actualmente todos los coches eléctricos que se comercializan recurren a baterías de iones de litio con electrólito líquido, esto es: el material que se encuentra entre el cátodo (electrodo negativo) y el ánodo (electrodo positivo), y que permite la transferencia de electrones, es una solución líquida.
Dentro de las baterías de iones de litio hay a su vez diferentes subtipos de estas, con pequeñas diferencias químicas, al emplear diferentes elementos en el cátodo y el ánodo, o diferentes proporciones entre estos (por ejemplo las baterías de litio-hierro-fosfato son las más económicas, aunque tienen también menos capacidad por unidad de volumen y masa).
El salto más importante que estamos viviendo ahora mismo, para pasar de autonomías homologadas en el caduco ciclo europeo NEDC de unos 150 a 200 km, hasta los actuales 400 a 500 km, ha sido gracias al empleo de nuevas celdas de batería de iones de litio con níquel y cobalto (aunque también ha ayudado una distribución de las celdas y componentes internos de la batería más compacta, que aprovecha mejor el volumen del paquete de batería).
Normalmente se emplean ánodos de grafito, o grafito y silicio, y cátodos de litio, níquel, cobalto y aluminio, por ejemplo Panasonic, para Tesla, o de litio, níquel, manganeso y cobalto, por ejemplo LG Chem, para Renault, Chevrolet, Opel, Volkswagen y otros fabricantes.
Estas últimas tienen además la ventaja de que tienen también una mayor vida útil (aproximadamente el doble) que las batería de iones de litio "antiguas", mientras que mantienen o mejoran ligeramente la velocidad de recarga y apenas aumentan el peso de la batería (algo menos de un 10 %). Eso sí, son algo más caras, aunque el impacto en el precio final de venta del coche se quede entre un 5 y un 10 % aproximadamente.
Hemos pasado por tanto de una densidad energética de algo más de 250 Wh/l (y una energía específica de unos 100 Wh/kg) de las primeras baterías de iones de litio, hasta aproximadamente entre 400 Wh/l (180 Wh/kg) y 650 Wh/l (250 Wh/kg). Esta es la realidad presente en la que se basan la mayoría de los fabricantes para proponer nuevos modelos de coches eléctricos con una autonomía bastante digna, alrededor de los 500 km homologados NEDC (unos 375 km WLTP).
Y a partir de aquí, ¿qué más?
Tesla emplea celdas de batería de Panasonic. Nissan por ahora emplea las de NEC (consorcio AESC). Renault usa las de LG Chem, como Grupo Volkswagen, Chevrolet y Opel, Hyundai y Kia, Ford, o Mercedes-Benz y smart. BMW recurre a Samsung SDI.
Las baterías de iones de litio con níquel y cobalto todavía tienen varios años de recorrido, entre otras cosas porque es necesario que bajen de precio de manera importante para que además de autonomía medianamente digna, podamos hablar de coches eléctricos de precio asequible. Esto tardará algo en llegar, ya veremos exactamente cuánto, pues hay quien habla del año 2030, y otros hablan de 2023, pero en principio llegar, debería llegar.
A partir de aquí entramos en el terreno de las baterías todavía en fase de investigación o experimentación en laboratorio, por lo que debemos ser prudentes y entender que son baterías que tal vez lleguen a comercializarse o tal vez no, y tampoco puede afirmarse una fecha exacta para su llegada.
Un nuevo tipo de batería de litio sería la de litio y azufre. Sigue empleando electrólito líquido, y su energía específica podría superar los 350 Wh/kg. El pequeño problema es que tienen que utilizar también grafeno, una estructura de carbono que, pese a alguna que otra ilusionante promesa (finalmente de dudosa realidad), todavía es complicada de producir a gran escala y bajo coste.
Otra importante evolución de las baterías de litio sería pasar de los iones de litio al litio metal, protegido contra la corrosión. Así se promete por ejemplo hasta triplicar la capacidad de las baterías de litio básicas (aunque volvemos a depender del grafeno). Quizás la propuesta más seria sea Licerion de Sion Power, con baterías de hasta 700 Wh/l de densidad energética (400 Wh/kg de energía específica).
Sion power lleva varios años colaborando con BASF en la investigación y recientemente LG Chem ha adquirido los derechos para la fabricación y comercialización de celdas y baterías a nivel industrial.
Cambiar el electrólito líquido por uno sólido
Con tecnología disponible en 2016, en el mismo volumen del paquete de batería del Nissan LEAF caben 60 kWh (que inicialmente en 2010 tenía tan solo 24 kWh de capacidad, y 175 km de autonomía NEDC)
Otra apuesta muy seria, aunque todavía tengamos que esperar algunos años para verla comercializada, son las baterías de estado sólido, un paso más allá de las baterías de litio metal. Aquí tanto Samsung como LG Chem están muy cerca de conseguirlo: primero parece que llegarían para dispositivos electrónicos móviles (alrededor de 2020, dicen), y más adelante para vehículos eléctricos (alrededor de 2025).
En estas baterías la clave es que en lugar de un eletrólito líquido entre el cátodo y el ánodo, se emplea un electrólito sólido (y ya no hay problema de corrosión, ni tampoco se necesitan separadores). Bosch no se ha quedado tampoco de brazos cruzados, compró a Seeo, y también anda detrás de este tipo de batería.
Todo son ventajas con esta nueva celda y podría ser la protagonista de la próxima década: casi duplica la densidad energética de una batería de iones de litio actual (aproximadamente 1.200 Wh/l), no se calienta tanto, el riesgo de incendio es casi cero, se recarga más rápido (teóricamente 6 veces más rápido) y su vida útil es mayor.
Esto quiere decir que nos iríamos a coches eléctricos de tamaño medio y precio más o menos asequible con más de 650 km de autonomía real (que vendrían a ser algo más de 800 km en el actual ciclo de homologación europeo NEDC, a punto de desaparecer). Con baterías así el coche de hidrógeno lo va a tener mucho más difícil.
En esta misma línea tenemos la batería de estado sólido, con un electrólito cristalizado y sodio metal, en lugar de litio metal, siendo más barata y teniendo incluso mayor capacidad. Se podrían alcanzar los 650 Wh/kg de energía específica. Esto es muy interesante además porque se cambia de material base de la química de la batería (ya no sería litio), y se evitaría así sobre-demanda o problemas de suministro.
Una ventaja adicional en las baterías de estado sólido de sodio es que además pueden funcionar con apenas pérdidas de capacidad de carga a temperaturas ambiente muy bajas. Según indica su equipo de investigación siguen teniendo una alta conductividad eléctrica a temperaturas de 20 grados centígrados bajo cero. Esto soluciona un problema de los coches eléctricos actuales, en los cuales con temperaturas muy bajas la autonomía puede disminuir en casos extremos hasta tan solo la mitad de la autonomía teórica homologada.
Detrás de estas baterías de estado sólido y sodio metal está el anciano físico alemán, nacionalizado norteamericano, John. B. Goodenough, al que se le reconoce como coautor de las baterías de iones de litio, cuando en 1980 su equipo de la Universidad de Oxford consiguió desarrollar un cátodo de óxido de cobalto y litio. Hubo que esperar hasta 1991 para tener una entre las manos, cuando Sony lanzó la primera batería de iones de litio comercial, en una de sus cámaras de vídeo.
Toyota parece ser el primer fabricante en anunciar que lanzará un coche eléctrico con batería de estado sólido en 2022. Aunque la marca japonesa ha dado de lado durante varios años a los coches eléctricos, centrándose en su gallina de los huevos de oro, los coches híbridos de gasolina, lo cierto es que desde el año 2008 tiene una división específica de investigación de baterías revolucionarias, de estado sólido y de metal-aire, que se conocía como la batería de Sakichi, para 1.000 km de autonomía.
Como acabamos de ver, otra línea de investigación de baterías del futuro con todavía mayor densidad energética es la de las baterías de celdas de metal-aire. Aquí el metal puede ser diferente, litio, sodio o aluminio. Prometen la mayor energía específica de todas, por encima de 1.600 Wh/kg. BASF por ejemplo también anda investigando este tipo (pero aquí no se habla todavía de fechas).
Otros tipos de acumuladores
Este boquerel doble repostaría a la vez los dos electrolitos del sistema Nanoflowcell de 'baterías de flujo'
Aparte de las baterías recargables tal como las conocemos hoy en día (enchufar en una toma de corrientepara recargar, durante cierto número de ciclos de carga y descarga), también se están investigando otros tipos de acumuladores para vehículos eléctricos.
Por una parte tenemos las baterías de electrólito repostable. Es una línea de trabajo de la que tuvimos noticias en 2011 por parte del MIT: en lugar de enchufar el coche para recargar la batería con energía eléctrica, se vacían y se rellenan dos depósitos con un electrólito cargado, uno positivo y otro negativo (es en verdad agua con sales disueltas), que luego interactuarán a través de una membrana porosa, generándose la corriente eléctrica. Su principio es muy similar al de las pilas de combustible.
Esto es lo que también se conoce como baterías de flujo, o de celdas semi-sólidas de flujo. Es lo que propone por ejemplo la marca NanoFlowCell, que incluso ha presentado varios prototipos de coches eléctricos que emplean este tipo de batería bajo la marca Quant, con hasta 1.000 km de autonomía, como el Quant 48Volt, el Quant e-Sportlimousine, o el Quantino.
El problema de este sistema no es que no funcione, sino que necesita de la existencia de una infraestructura de repostaje de los electrólitos (que no hay que vaciar en este caso), y que el coche en sí lleva dos depósitos de 159 litros cada uno, lo que supone añadir bastante peso. Se dice que cada litro de electrólito cuesta del orden de 0,10 euros, así que llenar el depósito vendrían a ser casi 32 euros con los que recorrer entre 800 y 1.000 km.
Los condensadores son dispositivos eléctricos capaces de almacenar energía eléctrica durante la carga gracias a un campo eléctrico, y devolverla después al circuito cuando cesa la carga. Su ventaja es que se pueden cargar y descargar muy rápidamente, en tan solo segundos, y tienen una vida útil realmente larga, pero el inconveniente es que la capacidad (su energía específica o densidad energética) es menor que en las baterías de iones de litio.
Para mejorar la capacidad se recurre a los supercondensadores. Hoy en día ya existen, pero su energía específica, alrededor de 30 Wh/kg, no llega a ser tan alta como con las baterías. Se emplean por ejemplo en algunos autobuses eléctricos urbanos que se recargan muy rápidamente en las paradas, como por ejemplo en este proyecto de Tosa y ABB para Ginebra.
Para aumentar todavía más su capacidad se están investigando supercondensadores de grafeno, que pueden alcanzar por ejemplo los 64 Wh/kg de energía específica.
Intentando aunar lo mejor de ambos mundos, también existen los bacitores, también conocidos como supercondensadores híbridos o LIC, por ser una combinación de condensador y batería de ion litio. Por ahora se han empleado en coches de competición híbridos, pero ya veremos dónde llega su evolución.
Como acabamos de repasar, el campo relativo a la acumulación de energía eléctrica tiene bastante margen de mejora todavía, y ahora, con cada vez más fabricantes de automóviles convencidos de lanzar coches eléctricos, y con los grandes fabricantes mundiales de electrónica interesados en entrar al mundo del automóvil como proveedores, ya no hay duda de que hay negocio, y de que hay y habrá cada vez mejor tecnología de baterías y coches eléctricos, y que estos ya no tendrán problemas con la autonomía (ni con la vida útil de la batería). Una revolución de verdad se acerca.
Vídeo | ABB (en YouTube)
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